The Analysis of Novel Injectable Tissue - Engineered Materials for Vocal Fold Regeneration

Abstract

Injection laryngoplasty (IL) is one of the most suitable options for treatment of glottic insufficiency, which is caused by vocal fold (VF) paralysis, atrophy, or scarring. The purpose of this study is to demonstrate favorable VF augmentation and regeneration by using a several material such as hyaluronic acid, MPEG-b-(PCL-ran-PLLA) diblock copolymers (C97L3: CL/LA ratio 97:3) incorporating hepatocyte growth factor (HGF). Hyaluronic acid (HA) is a widely used material for VF injection. We intended to evaluate the durability and efficiency of HA of different particle sizes for VF augmentation. An in situ-forming gel system comprised of diblock copolymer formed from polyethylene glycol (PEG) and polycaprolactone (PCL) could be used in controlled drug delivery for tissue remodeling. Gradual release of HGF from C97L3 is detected and biochemical properties of released HGF are maintained. After six and ten weeks, the injected site was evaluated endoscopically, histologically, radiologically, and functionally. None of the 24 rabbits showed any signs of respiratory distress. Computed tomography (CT) images and endoscopic evaluation revealed sufficient augmented volume of the injected VF in all treated groups 6 weeks after the injection. Histological data at week 10 showed that unequal particle-sized HA did not migrate from its original injection site, while other HAs migrated into the arytenoid cartilage. Videokymographic analysis showed more favorable vibrations of unequal particle-sized HA injected VF mucosa 10 weeks post-injection, compared to the other treatment groups. A scar is made with microscissors on both VFs in 32 rabbits, followed by injection of HGF-only, C97L3-only, or HGF-C97L3 composite gel in the left side VF, while the right side VF is left untreated. In vivo fluorescence live imaging system demonstrates that C97L3 enables the sustained release of injected HGF in the scarred VF for 12 weeks. The histological analysis shows increased glycosaminoglycan including hyaluronic acid accumulation and decreased collagen deposition. Videokymographic analysis shows more favorable vibrations of HGF-C97L3 treated VF mucosa, compared to other treatment groups. In conclusion, the controlled HGF release helps to regulate extracellular matrix synthesis, and leads to the eventual functional improvement of the scarred VF.

일측 성대마비, 성대위축, 혹은 성대에 상처가 생기게 되면 삶의 질에 큰 영향을 미치는 음성장애가 발생한다. 음성장애가 발생할 경우에는 성대내주입술을 통한 치료가 널리 이용되고 있다. 성대내주입술은 일차적으로 감소된 성대의 용적을 복원시킬 뿐 아니라 최근에는 성대의 상처를 재생시키는 물질을 주입하는 방법 또한 시도되고 있다. 성대내주입술의 중요성에 커짐에 따라 다양한 주입물질이 개발되고 그 효과에 대한 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 성대마비모델과 성대조직재생모델을 이용하여 다양한 음성장애를 일으키는 상황에서 효과적인 치료방법에 대하여 연구하였다. 우선, 성대내 주입술에 가장 많이 사용되는 히아루론산(hyaluronic acid)의 입자크기와 성상의 차이에 따라 가장 효과적인 주입물에 대한 연구를 통하여 성대마비모델에서 효과적인 치료법을 연구하였으며, 또한 조직재생에 영향을 미치는 것으로 알려진 간세포성장인자 (hepatocyte growth factor, HGF)를 포함하는 MPEG-b-(PCLran-PLLA) diblock copolymers (C97L3: CL/LA ratio 97:3) 라는 신물질을 이용하여 성대에 상처가 났을 때 주입 후에 성대의 조직재생효과를 알아보았다. 첫 번째 연구에서는, 세가지 종류의 서로 다른 제형의 히아루론산, 즉 현재 상용화 되어있는 레스틸렌, 새롭게 개발한 단상 저점도 (monophasic low-viscosity)히아루론산과 불규칙한 입자 크기의 중간점도의 히아루론산을 각각 8마리 토끼로 구성된 세 개의 되돌이 후두신경을 손상시킨 성대 마비 그룹의 좌측 성대에 주입하였다. 성대내 주입 후6주와 10주에 내시경, 조직학적, 영상적, 기능적 결과를 비교하였으며, 모든 토끼들에게 특별히 치명적인 부작용은 발생하지 않았다. 전산화단층촬영(Computed tomography, CT)영상과 내시경 영상에서 주입6주 후에 관찰하였을 때는 세 개의 그룹에서 모두 성대의 부피가 채워진 채로 유지되는 결과를 보였으나, 주입 10주 후 영상, 내시경, 조직학적으로 관찰하였을 때에는 중간 점도의 히아루론산을 주입한 토끼에서만 주입물이 잘 유지된 것을 확인할 수 있었다. 비디오운동검사 (Videokymographic analysis)를 통하여 성대 점막의 진동을 관찰한 결과 중간 점도의 히아루론산을 주입하였을 때 다른 주입물을 주입한 그룹에 비하여 성대점막의 진동이 가장 정상에 가까움을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 현재 시중에서 사용하는 레스틸렌보다 저점도 불균일입자의 히아루론산을 이용 시 더 효과적인 성대주입술을 시행할 수 있음을 알 수 있었다. 두 번 째 실험에서 성대재생효과를 확인하기 위한 C97L3 주입 모델은 32마리의 성대 손상 토끼를 이용하여 조직학적, 영상적, 기능적으로 성대 점막 재생 효과를 확인하였다. 폴리에틸렌글리콜 (polyethylene glycol, PEG)과 폴리카프로락톤 (polycaprolactone, PCL)으로 형성된 디 블록 공여체로 구성된 인 시츄 겔 시스템(in situ-forming gel system)은 조직 재생을 위한 약물조절 방출(controlled drug delivery)에 이용될 수 있다. C97L3에서 HGF가 지속적으로 방출됨을 확인하였으며 방출 된 HGF의 생화학적 특성이 유지됨을 관찰하였다. 32 마리의 토끼의 양측 성대 점막에 미세가위를 이용하여 균일한 상처를 만든 후에 좌측 성대점막에는 HGF, C97L3, 그리고 HGF 를 포함하는 C97L3 합성 겔을 주입하였고 우측 성대의 상처는 대조군으로 아무런 처치 없이 남겨두었다. 생체 내 형광 현미경 촬영시스템을 이용하여 C97L3 이 성대 점막 상처에 주입된 이후 12 주간 HGF 를 지속적으로 방출 할 수 있음을 확인하였다. 조직학적 분석을 통하여 히알루론산 축적이 증가되고 콜라겐침전이 감소된 글리코사미노글리칸(glycosaminoglycan)이 증가되는 것을 확인하였으며 비디오운동평가를 통하여 HGF-C97L3 를 주입한 그룹에서 성대점막진동이 다른 그룹에 비하여 더 정상에 가까운 것을 확인할 수 있었다. 성대 점막에 손상이 있을 경우 정상적인 조직재생을 위한 신 물질로 HGF 를 포함하는 C97L3 가 효과적으로 이용되기를 기대할 수 있었다. 결론적으로, 본 연구에서는 임상적으로 널리 이용되는 성대내주입술을 이용하여 음성 장애를 일으키는 다양한 상황에서 여러조직 공학적 물질 및 지지체를 주입한 후 성대의 부피 복원, 조직재생, 기능회복효과를 통하여 음성 회복의 가능성을 기대해본다.